(57)【要約】【課題】  電流方向に対して垂直な方向の熱伝導が低減され、熱電変換効率の向上を図ることができる熱電デバイス用基板およびそれを用いた熱電デバイスを提供する。【解決手段】  厚さ１μｍ以上１０００μｍ以下、気孔率５％以上９５％以下の多孔質単結晶基板１上に、厚さ０．５μｍ以上１０μｍ以下の化合物半導体薄膜２が形成された熱電デバイス用基板を用いて、前記化合物半導体薄膜２表面に、電極３および絶縁膜４が形成され、該絶縁膜４上に、被冷却物５が積層された熱電デバイスを構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ１μｍ以上１０００μｍ以下、気孔率５％以上９５％以下の多孔質単結晶基板上に、厚さ０．５μｍ以上１０μｍ以下の化合物半導体薄膜が形成されていることを特徴とする熱電デバイス用基板。
【請求項２】
前記多孔質単結晶基板がＳｉからなることを特徴とする請求項１記載の熱電デバイス用基板。
【請求項３】
前記多孔質単結晶基板がＧａＡｓからなることを特徴とする請求項１記載の熱電デバイス用基板。
【請求項４】
化合物半導体薄膜が、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＧａＮ、ＢＰ、ＢＳｂのうちの少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の熱電デバイス用基板。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれかに記載の熱電デバイス用基板が用いられていることを特徴とする熱電デバイス。
【請求項６】
前記化合物半導体薄膜の表面に、電極および絶縁膜が形成され、該絶縁膜上に被冷却物が積層されていることを特徴とする請求項５記載の熱電デバイス。
【請求項７】
熱電性能指数（ＺＴ）≧１であることを特徴する請求項５または請求項６記載の熱電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゼーベック効果を利用した熱発電や、ペルチェ効果を利用した吸熱・冷却等の熱電変換に好適に用いられる熱電デバイス用基板およびそれを用いた熱電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電デバイスは、熱エネルギーと電気エネルギーの直接相互変換、すなわち、熱電変換を行うために、特殊な半導体や金属材料を用いて構成されるデバイスであり、熱機関と異なり、原理的にマイクロ化が可能であり、効率良く相互エネルギー変換を行うことができるという利点を有している。
【０００３】
前記熱電デバイスには、主に、熱電材料に温度差を設けることによって、電気担体（キャリア）により熱エネルギーが輸送され、これにより生じる電圧を取り出す、いわゆるゼーベック効果を利用した熱発電デバイスと、これとは逆に、熱電材料に電圧を印加して電流を流すことによって、キャリアにより熱エネルギーを輸送させる、いわゆるペルチェ効果を利用した冷却デバイスとがある。
【０００４】
前記熱電材料としては、低い熱伝導性および良好な電気伝導性を有する固体が理想的であり、従来は、テルル系、シリサイド系材料、ＳｉＧｅ系材料等の特殊な半導体や金属材料が用いられ、焼結または基板上への薄層成長により作製されていた。
例えば、特許文献１には、Ｓｉ／Ｇｅ超格子構造に特定元素を高濃度でドープして不完全エピタキシャル成長させたＳｉＧｅ系材料からなる熱電材料が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２８２９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような従来の熱電材料を用いたデバイスにおいては、電流方向に対して垂直の方向の熱伝導が遮断されておらず、この方向への熱の漏れによって、熱電デバイスの性能が低下するという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、電流方向に対して垂直な方向の熱伝導が低減され、熱電変換効率の向上を図ることができる熱電デバイス用基板およびそれを用いた熱電デバイスを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る熱電デバイス用基板は、厚さ１μｍ以上１０００μｍ以下、気孔率５％以上９５％以下の多孔質単結晶基板上に、厚さ０．５μｍ以上１０μｍ以下の化合物半導体薄膜が形成されていることを特徴とする。
このような構成からなる基板を熱電材料として用いることにより、電流方向に対して垂直の方向の熱伝導の低減化を図ることができ、また、化合物半導体膜のキャリアトラップが低減され、キャリア濃度を高くすることができる。
【０００８】
前記多孔質単結晶基板はＳｉからなることが好ましい。
多孔質Ｓｉ基板作製技術は確立しており、また、結晶性に優れたＳｉを用いることによって、前記化合物半導体膜のキャリアトラップをより低減することができることから、Ｓｉは好適な材料である。
【０００９】
あるいはまた、前記多孔質単結晶基板は、ＧａＡｓからなることが好ましい。
ＧａＡｓは、結晶性がＳｉと同程度であり、しかも、熱伝導率はＳｉよりも小さいことから、熱電変換効率の観点から、より好適に用いることができる材料である。
【００１０】
また、前記熱電デバイス用基板においては、化合物半導体薄膜が、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＧａＮ、ＢＰ、ＢＳｂのうちの少なくとも１種からなることが好ましい。
これらの化合物は、半導体として、優れた熱電変換能を有していることから、本発明における化合物半導体薄膜に好適な材料である。
【００１１】
また、本発明に係る熱電デバイスは、上記熱電デバイス用基板が用いられていることを特徴とする。
このような熱電デバイスによれば、従来の熱電デバイスよりも熱電変換効率の向上が図られる。
【００１２】
前記熱電デバイスは、化合物半導体薄膜の表面に、電極および絶縁膜が形成され、該絶縁膜上に被冷却物が積層されていることが好ましい。
本発明に係る熱デバイス用基板を用いて、上記のような構成とすることにより、より高性能の熱電デバイスを得ることができる。
【００１３】
前記熱電デバイスによれば、熱電性能指数（ＺＴ）≧１のものを得ることができる。
ここで、ＺＴ＝Ｓ2Ｔ／（ρ・κ）の式により定義される値であり、Ｓ：ゼーベック係数（Ｖ／Ｋ）、Ｔ：動作温度（Ｋ）、ρ：抵抗率（Ωｍ）、κ：熱伝導度（Ｗ／ｍＫ）である。
従来の熱電デバイスは、一般に、熱伝導性能指数（ＺＴ）＜１であるが、本発明によれば、ＺＴ≧１であるより熱電変換効率の高い熱電デバイスとすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
上述したとおり、本発明に係る熱電デバイス用基板によれば、電流方向に対して垂直な方向の熱伝導が低減され、熱電変換効率の向上を図ることができる。
したがって、前記基板を用いた本発明に係る熱電デバイスは、高効率の熱電効果が得られるため、排熱等の熱エネルギーを有用な電気エネルギーに変換する発電技術や省エネルギー技術等の次世代エネルギー技術の確立にも寄与するものとなり得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明について、図面を参照して、より詳細に説明する。
図１に、本発明に係る熱電デバイスの概略を示す。図１に示す熱電デバイスは、多孔質単結晶基板１上に、化合物半導体薄膜２が形成された本発明に係る熱電デバイス用基板の表面に、電極３および絶縁膜４が形成され、該絶縁膜４上に、被冷却物５が積層されている構造からなるものである。
すなわち、多孔質単結晶基板１上に、化合物半導体薄膜２が形成された基板を熱電材料として用いるものである。
【００１６】
前記熱電デバイス用基板における多孔質単結晶基板１は、厚さが１μｍ以上１０００μｍ以下であり、気孔率が５％以上９５％以下のものを用いる。
このような多孔質単結晶基板を用いることにより、電流方向に対して垂直の方向の熱伝導の低減化を図ることができる。また、この基板上に形成される化合物半導体膜２のキャリアトラップを低減し、キャリア濃度を高くすることができる。
これにより、従来の熱電デバイス用基板を用いた場合に比べて、熱電デバイスの熱電性能を２倍程度向上させることが可能となる。
【００１７】
前記多孔質単結晶基板１の厚さが１μｍ未満である場合、電流方向に対して垂直の方向の熱伝導を十分に抑制することが困難である。
一方、前記厚さが１０００μｍを超える場合、原材料およびエネルギー等の浪費となり、経済的な損失となる。
【００１８】
前記多孔質単結晶基板１はＳｉからなることが好ましい。
多孔質（ポーラス）Ｓｉは、スポンジ状のＳｉ結晶であり、直径数ｎｍ程度の微細な孔が形成されたものであり、Ｓｉ基板にその表面からの深さ数ｎｍ〜数μｍまでの範囲としてもよく、あるいはまた、全体を多孔質Ｓｉとしてもよい。
結晶性に優れたＳｉを用いることにより、その上に形成される化合物半導体膜２は、キャリアトラップがより低減され、キャリア濃度がより高くなり、従来の熱電デバイス用基板を用いた場合に比べて、熱電デバイスの熱電性能を３倍程度向上させることが可能となる。
【００１９】
上記のような多孔質Ｓｉ基板は、例えば、フッ酸（ＨＦ）およびエタノールを含む水溶液中で、白金電極を陰極とし、直流バイアスでＳｉ基板の陽極化成処理を行うことにより作製することができる。
その他、硝酸やＨＦ中に基板をＳｉ浸漬させる化学エッチング法等によっても、Ｓｉ基板表面に多孔質層を形成することができるが、電流方向および熱伝導方向を制御する観点から、気孔の配向性が得られる上記のような陽極化成方法を用いることが好ましい。
【００２０】
また、上記のようにして得られる多孔質Ｓｉ基板は、水素（Ｈ2）または減圧雰囲気下で、８００〜１４００℃程度の高温熱処理を施すことにより、多孔質層表面の原子が再配列し、内部に多孔質層を残存させた状態で、表面を平滑な非多孔質層とすることも可能である。
なお、このような熱処理は、通常、気相成長における前処理として、自然酸化膜を除去する工程として行われるＨ2またはＨＣｌによる１０００℃前後の熱処理においても、同様の効果が得られる。
【００２１】
あるいはまた、前記多孔質単結晶基板１は、ＧａＡｓからなるものでもよい。多孔質ＧａＡｓ基板も、上記Ｓｉ基板と同様の方法により、作製することができる。
ＧａＡｓは、結晶性がＳｉと同程度であり、しかも、熱伝導率はＳｉよりも小さいため、電流方向に対して垂直方向の熱伝導をより低減化することができる。
これにより、従来の熱電デバイス用基板を用いた場合に比べて、熱電デバイスの熱電性能を４倍程度向上させることが可能となる。
【００２２】
本発明に係る熱電デバイス用基板においては、上記のような多孔質単結晶基板１上に、厚さ０．５μｍ以上１０μｍ以下の化合物半導体薄膜２を形成する。
この化合物半導体薄膜２は、ｐ伝導型、ｎ伝導型のいずれでもよいが、熱電変換効率の観点から、ｐｎ両伝導型を使用することが好ましい。また、非晶質、多結晶、単結晶のいずれでもよいが、熱伝導性および電気伝導性の方向性の制御の観点から、単結晶であることが好ましい。
【００２３】
前記化合物半導体薄膜２の材料としては、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＧａＮ、ＢＰ、ＢＳｂのうちの少なくとも１種からなることが好ましい。
これらの材料は、熱電変換能が高く、従来の熱電デバイス用基板を用いた場合に比べて、熱電デバイスの熱電性能を５倍程度向上させることが可能となる。
特に、ＳｉＣ、ＧａＮ等のワイドギャップ半導体を用いることにより、５００〜１０００℃程度の高温での使用が可能となり、熱電性能を１０倍程度にまで向上する。
【００２４】
前記化合物半導体膜２は、前記多孔質単結晶基板１上に、気相成長法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、真空蒸着法、ＭＢＥ法等の各種成膜方法を用いて形成することができる。
例えば、水素アニール処理した厚さ１０μｍの多孔質単結晶Ｓｉ基板上に、８００〜１４００℃で、原料ガスとしてシランおよびプロパンを用いて、化合物半導体膜として厚さ１μｍの３Ｃ−ＳｉＣ膜を気相成長させることにより、熱電デバイス用基板を形成することができる。
【００２５】
上記のような熱電デバイス用基板の化合物半導体膜２の表面に、陽極および陰極の２個の電極３と、絶縁膜４を形成し、該絶縁膜４上に被冷却物５を積層させた図１に示すような構成からなる熱電デバイスによれば、熱電性能指数（ＺＴ）≧１であり、かつ、従来の熱電デバイスよりも、熱電性能を２０倍程度向上させることが可能となる。
なお、前記電極３は、真空蒸着、電子線銃加熱法等により、また、絶縁膜４は、ＣＶＤ法、絶縁物塗布法等により形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る熱電デバイスの構成を概略的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１    多孔質単結晶基板
２    化合物半導体薄膜
３    電極
４    絶縁膜
５    被冷却物
【図１】
2006287000.tif 000003